Материальный баланс и его роль в проектировании химико-технологических систем

Системой называют упорядоченную совокупность объединенных какими-либо связями материальных объектов, предназначенную для достижения определенной цели по возможности наилучшим способом. По субстанциональному признаку различают три класса систем: естественные, искусственные и концептуальные. К естественным относят системы, существующие в объективной действительности в живой и не живой природе. Искусственные системы создаются человеком. Концептуальные системы включают научные теории, представления о произведениях искусства и т.д.

Каждая система обладает структурой. Под структурой понимают совокупность элементов и связи между ними, обладающую инвариантностью (неизменностью) на определенном отрезке времени. Элементом системы является материальный объект, выполняющий определенные функции в рамках системы и не подлежащей дальнейшему членению. Для ХТС это операторы и подсистемы.

Операторами называют химические и физические процессы, с помощью которых осуществляется последовательное превращение сырья в продукт. К ним относятся массообменные, тепловые, механические, гидромеханические и химические процессы.

Подсистемой называют обладающую относительной автономией в рамках ХТС совокупность операторов, объединенных единой технологической целью. Ее конкретное оформление соответствует производственной установки. К ним относятся: подготовка сырья, химическое превращение, выделение целого продукта из реакционной смеси, обработка технологического продукта.

Операторы объединяются в системы с помощью связей. Связь – это физический канал, по которому происходит обмен веществом, энергией и информацией между элементами системы (внутренняя связь) и между отдельными системами (внешняя связь). На рисунке 1 показаны внешние связи систем.

ХТС

Ресурсы (сырье, энергия, финансы и т.д)

Влияние окружающей среды

Влияние окружающей среды

Информация

Продукты и услуги

Влияние на окружающую среду

Информация

Рисунок 1 Внешние связи ХТС

По физическому смыслу связи подразделяют на материальные, энергетические и информационные. Материальные связи представляют собой потоки сырья, вспомогательных материалов, полупродуктов, продуктов, твердых, жидких и газообразных отходов. К энергетическим относятся потоки топлива, хладоагентов и теплоносителей, линии электропередачи. Информационные связи поступают в систему в виде пневмо- и электросигналов от информационного оборудования.

Существует несколько форм представления структур: вербальная, графическая и описание в виде матрицы.

На рисунке 2 показаны графические символы технологических операторов-основных (а-г) и вспомогательных (д-ж) и функции, которые они выполняют.

а

б

в

г

д

е

ж

Рисунок 2 Технологические операторы: а- химического превращения; б- смешения; в- разделения; г- межфазного массообмена; д- нагрева или охлаждения; е- сжатия или расширения; ж- изменения агрегатного состояния вещества.

Технологическая схема составляется на основе операторной, при этом каждый оператор заменяется конкретным аппаратом, наиболее соответствующим требованиям в той технологической операции, для которой предназначен аппарат (реактор, смеситель, теплообменник и т.д.)

Состав смесей является важнейшим параметром технологического режима, оказывающим влияние на скорость химической реакции и сопровождающих ее физических процессов, качество продукта, безопасность введения процесса и т.д. изменение состава смеси происходит в операторах смещения, разделения и химического превращения. В первых двух состав изменяется в результате физических процессов смещения исходных веществ или разделения смесей на отдельные компоненты или фракции. В операторе химического превращения состав изменяется за счет протекания химической реакции, когда количество исходных веществ уменьшается, а продуктов – увеличивается.

Условимся поток реагентов на входе в реактор называть исходной смесью, а выходящий из реактора поток – реакционной смесью.

Исходная смесь

Реакционная смесь

Различают качественный и количественный составы смеси. Качественный состав включает перечень компонентов, содержавшихся в потоке. Качественный состав является исходным для расчета количественного состава. Количественный состав характеризуется точными значениями количеств отдельных компонентов смеси и может быть выражен в абсолютных (кг, м³, кмоль) и относительных (%масс, %об, %моль) единицах.

Расчет материального баланса является важнейшим этапом системного проектирования. На основании материального баланса рассчитываются:

-потребность предприятия в сырье и вспомогательных материалов;

-количество единиц и оббьем оборудования ХТС;

-технологические и некоторые технические и экономические показатели эффективности функционирования ХТС;

-тепловой баланс ХТС, как частный случай энергетического баланса, а также эксергетический и экономико-математические модели ХТС для выполнения задач системного анализа.

В практике технологических расчётов составляется несколько материальных балансов: по участвующим в процессе веществам и степени надёжности используемых для расчёта баланса данных.

По веществам, участвующим в процессе, различают общий, или брутто-баланс, баланс по компоненту, или частный баланс, и баланс по элементу, или элементный баланс.

Общий баланс составляет по всем компонентам сырьевого и продуктового потоков, а частный баланс - по одному из компонентов сырья этот вид баланса является одним из этапов расчёта общего баланса. К составлению элементного баланса прибегают в том случа, когда нельзя или сложно разделить покомпонентно сырьевые и продуктовые потоки. При этом выбирают тот элемент молекулы полезного компонента сырья, который в процессе химического превращения образует желаемую функциональную группу в молекуле продукта.

Чаще всего такими элементами являются углерод- для углеводородных смесей сложного состава; азот – для нитросоединений или других азотсодержащих соединений серы и другие для составления элементного баланса достаточно определить содержание балансируемого элемента в известных массах сырьевой и продуктовой смеси более надёжными для проектирования является материальный баланс.

Теоретический баланс рассчитывают исходя из стехиометрии реакции известных молекулярных масс реагентов и продуктов. Этот вид баланса составляют при проектировании производства нового продукта в условиях не полной информации о процессе. Теоретический баланс необходим в системном анализе при составлении экономико-математической модели процесса, а так же сопоставительного анализа работы действующей установки в качестве основы для сравнения.

Фактически материальный баланс составляет на основе работы лабораторных, пилотных, полупромышленных и промышленных установок. При изменении масштаба производства степень надежности данных растет. В этих балансах учитываются состав сырья и размер производственных потерь, которых нельзя избежать при массовом производстве продуктов. Производственные потери представляют собой расход сырья, материалов и готового продукта на разлив, утечку через не плотности аппаратов, емкостей и аппаратуры, потери при сливе и перекачках, унос из реакторов абгазами (отходящими газами), потери через вентиляционные линии и пр.

При расчете баланса величиной производственных потерь задаются исходя из данных работы аналогичных производств или средне статическим значением потерь для соответствующих процессов. Каждый технологический процесс превращения сырья в готовый продукт вносит величину потерь. Статистика приводит к следующим усредненным данные по величине потерь для различных процессов химической технологии фильтрация-1-2%, сушка-1-10%, размол, дробление, смешение-0,5%, выпарка, дистилляция, ректификация-5-15%,упаковка-0,5% от загрузки сырья. Фактические потери на действующем производстве определяют по разности между загрузками сырья и выгруженными продуктами. Минимизация потерь возможна только при высоком уровни организации производства, высокой технологической дисциплине, а так же при техническом и технологическом совершенстве ХТС на всех её уровнях.

Основным технологическим документом производства химического продукта является технологический регламент. Технологический регламент определяет оптимальный технологический режим, порядок проведения операции технологического процесса, обеспечивающий выпуск продукции требуемого качества, безопасные условия эксплуатации производства, а так же требования по охране окружающей среды. Материальный баланс в технологическом регламенте помещается после описания технологической схемы и данных по правовой защите технологического процесса и основного оборудования.

Выбор метода расчета материального баланса зависит от типа принятой технологической схемы (прямая или циркуляционная) и технологического класса реакции (простая или сложная, обратимая и необратимая).

Прежде чем приступить к составлению материального баланса, следует иметь четкое представление о самом процессе, его стадиях, составах сырья, организационной структуре процесса и условиях его протеканиях. Исходные данные для расчета балансов приводятся в проектном задании. Основой для них служит проектируемый оббьем готовой продукции в(производительность установки) либо пропускная способность установки по исходному сырью натуральных единицах за год. Остальные данные приводятся в соответствующих разделах технологического регламента.

Алгоритм расчета материального баланса предусматривает выполнение следующего ряда операций:

1) Анализ исходных данных для получения необходимой информации о процессе, для которого рассчитывается материальный баланс.

2) Декомпозиция технологической схемы с целью выявления операторного состава и структуры.

3) Составление функциональной и операторной схем для определения числа и направлений материальных связей между подсистемами и операторами.

4)Составление химических уравнений реакций, протекающих в подсистеме (подсистемах) химического превращения. Каждую реакцию следует пронумеровать, затем этот номер использовать в описание стехиометрических расчетов. Сложные химические формулы веществ, участвующих в реакции, можно заменить буквами латинского алфавита. Например вместо реакции

_{72 68 2}

СН₃-СН-СН₂-СН₃ → СН₂-СН-СН=СН₂ + 2Н₂

│‌ │

СН₃ СН₃

Можно написать А→В+2С. Над каждым компонентом уравнения реакции пишут его молекулярную массу. Руководствуясь законом сохранения материи (72=68+4), можно поверить правильность написать стехиометрического уравнения и при необходимости уточнить уравнение.

5) Выявление типа технологической схемы и классификация химической реакции по типу механизма для выбора метода расчёта баланса.

6) Составление схемы материальных потоков на основании функциональной или операторной схемы. В случае использования операторной схемы из неё исключают те операторы, в которых не изменяется состав и масса потока (подогреватели, холодильники и пр.). Схема материальных потоков является общепринятым методом количественного описания взаимосвязи потоков сырья, продуктов, вспомогательных материалов и отходов на всём протяжении процесс. Эта схема представляет собой взвешенный ориентированный граф, вершинами служат подсистемы (операторы), а ребрами – материальные потоки, связывающие их. Направление потоков указывают стрелками. Материальные потоки, поступающие в подсистему (оператор), изображают прямыми линиями, сходящимися в вершине графа, а потоки, покидающие оператор (подсистему)- расходящимися линиями. Разрешается взамен схемы материальных потоков использовать операторные схемы. Над каждым потоком указывается «цена», т.е. все известные данные о потоке (масса, качественный и количественный состав, параметры состояния газов).

7) Определение качественного состава сырьевых и продуктовых потоков выполняется на основе состава сырья, реакционной схемы и технологических показателей – конверсии (доля превращенного сырья.

Схему материальных потоков составляют с целью определения структуры баланса и получения недостающих данных для его расчета. В качестве примера в составлении схемы материальных потоков баланса используем описание технологии производства метанола.

8) Подбор единиц расчета баланса, физических и химических констант, технологических показателей.

9) Расчет недостающих данных. Что бы составить баланс нужно знать массу потоков, входящих в систему и покидающих её. Масса каждого потока слагается из масс составляющих его компонентов. Если масса потока или отдельных его компонентов неизвестно, то прибегают к её расчету, используя стехиометрию реакции и исходные данные о процессе. Расчет производят на основе стехиометрических уравнений реакции, оперируя количествами исходных веществ, расходуемых в реакции, и количествами получаемых продуктов. Вычисление введут в расчете на чистые (100%) реагенты и продукты. Примеси сырья, исключенные из этой стадии расчета, учитывают при составлении окончательного баланса.

Материальный баланс рассчитывают только в единицах массы. Однако в качестве промежуточной единице расчета лучше использовать киломоли, причем число киломолей, поданных процесс или полученных в ходе процесса, следует считать с точностью до 3-го или 4-го знаков, что в дальнейшем обеспечит лучшую сходимость приходной и расходной частей баланса. Перевод киломолей в килограммы выполняют только для компонентов потоков, представляющих внешней связи системы (вход-выход).

10) Составление общего материального баланса и представление его в удобной для выполнения дальнейших расчетов форме.

Материальный баланс может быть представлен в форме уравнения, таблицы или диаграммы. Наиболее часто материальный баланс представляют в виде таблицы.

Таблица материального баланса состоит из 2-х частей. Левая часть именуется приходной, и обозначается словами «приход» или «подано». Здесь записываются сырьевые потоки, поступающие в ХТС, подсистему или отдельный аппарат с покомпонентной расшифровкой. Правая часть именуется расходной и обозначается «расход» или «получено». В этой части баланса записываются все потоки, покидающие ХТС, подсистему (установку) или отдельный аппарат. Сюда относятся потоки продуктов (целевого и побочных), непревращенного сырья и потерь. Следует подчеркнуть, что в расходной части записывают массу не превращенного сырья, т.е. его остаток. Израсходованное на реакцию сырьё определяют как разность между поданным на переработку сырьём или его остатком, т.е. разность между приходной и расходной частями баланса. Таким образом, слово «Расход» для обозначения правой части баланса вовсе не означает, что здесь перечисленные вещества, израсходованные в процессе. Просто наименование заимствовано технологией из бухгалтерской терминологии, но потеряло первоначальный смысл.

Под первым номером в расходной части баланса записывают целевой продукт, на последний помещают потери. Не следует размещать компоненты реакционной смеси как простую последовательность веществ. Лучше компоновать их по принадлежности к отдельным потоком: газообразному, жидкому, или твёрдому. Отдельные слагаемые приходной и расходной части называют статьями баланса. Приходная часть должна равняется расходной. В случае неравенства частей баланса следует установить причины расхождения – «невязки» - баланса. Они могут быть разными: непринятые во внимание примеси сырья, неучтённые потери, в том числе испарение, утечки через не плотности, «мертвые» остатки в резервуарах, ошибки анализа при определении покомпонентного состава потока, невысокий класс точности расходомерных устройств.

Среди других причин могут быть заимствование данных для расчёта из источников разной степени надёжности, ошибки в расчётах, связанные чаще всего с округлением результатов. Чтобы отличить элементарные арифметические ошибки от систематической ошибки счета определяют величину относительной погрешности, которая считается приемлемой, если составляет 2-3%.

В зависимости от организационной структуры процесса различают периодические и непрерывные схемы. В периодической схеме сырье загружают в реактор, где его выдерживают при заданных условиях до заданной конверсии. Продукты выгружают, и процесс повторяется снова. Баланс можно составлять не только на цикл работы реактора, но и на сутки, месяц или год. В непрерывных схемах технологические операции проводят в разных аппаратах в потоке непрерывно движущегося через них сырья со скоростью, достаточной для обеспечения заданной конверсии. Методики расчета периодических и непрерывных процессов отличается только единицами измерения:

- для периодических схем – кг/цикл или т/цикл;

- для непрерывных схем – кг/ч.

В зависимости от технологических маршрутов сырья различают прямые и циркуляционные схемы. Прямые схемы используют для процессов с высокой конверсией сырья за один проход через реактор или производственный цикл. Циркуляционные схемы выбирают для процессов с низкой конверсией сырья, когда в реакционной смеси, кроме продуктов, будет содержаться непревращенное сырье. В этом случае продукты отделяют, а непревращенное сырье возвращают в реактор вплоть до его полного использования. Одним из недостатков циркуляционных схем является накопление в рецикле инертных примесей, которые не отделяют от сырья в подсистеме подготовки. Для поддержания постоянной концентрации примесей в рецикле часть рециркуляцинного потока сбрасывают в процессе продувки, т.е. поток возвращаемого сырья делят на два потока: рецикл и газ продувки. Работа схемы с рециклом характеризуется коэффициентом рециркуляции К_R , который показывает во сколько раз главный поток больше прямого.